西南交大杨维清/游世海等：厘米级 2D 铁电钙钛矿多晶晶圆，实现高效 X 射线探测

Aligning Out‑of‑Plane Polarization in 2D Ferroelectric Perovskite Wafer Boosts Interlayer Carrier Transport for Efficient X‑Ray Detection

Chenhao Deng, Shihai You*, Haiqing Zhong, Xiankan Zeng, Xiaolong Hao, Jiasheng Xie, Zheng Zhou, Zhangjian Jin, Huang Ye, Lijun Xu, Jianbo Wu, Panpan Dong, Wen Li, Xingxing Jiao, Weiqing Yang*

Nano-Micro Letters (2027)19: 54

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02352-z

本文亮点

1. 热压成型，高质晶圆：采用简便的热压法，制备出高质量、厘米级2D铁电钙钛矿多晶晶圆，规避了大尺寸、厚2D钙钛矿单晶的生长难题。

2. 极化赋能，输运跃迁：热压使晶粒优选水平取向、极轴趋于垂直排列，再经电极化处理使极化方向趋于一致，形成宏观面外极化，产生强内建电场，显著促进载流子层间输运。

3. 自驱探测，小压高能：极化后的晶圆不仅能够实现自驱动X射线探测，还能在小偏压下实现高灵敏度(2285 μC Gy⁻¹ cm⁻²)和低探测限(7.2 nGy s⁻¹)，同时具备优异的工作稳定性和高对比度X射线成像能力。

研究背景

金属卤化物钙钛矿凭借强X射线衰减、高载流子迁移率寿命积与简单的溶液制备工艺，成为直接型X射线探测的明星半导体材料。其中3D钙钛矿虽已实现超高探测灵敏度，但本征结构不稳定性与严重的离子迁移问题制约了其长期工作寿命。2D金属卤化物钙钛矿采用有机层与无机层交替的类量子阱结构，兼具优异的环境稳定性、抑制的离子迁移，是高稳定X射线探测器的理想候选。然而，有机间隔层与无机层间的显著介电差异带来强量子限域效应，严重阻碍了层间(面外)载流子输运，导致探测灵敏度普遍低于3D体系。近年来，铁电极化诱导的内建电场被证实可有效促进载流子分离与输运，但现有2D钙钛矿铁电体的极化轴多平行于无机层(面内极化)，与商用垂直结构X射线探测器不匹配；同时大尺寸、厚层2D钙钛矿单晶生长周期长、难度高，难以满足器件规模化需求。如何实现2D钙钛矿的面外宏观极化并兼具大尺寸可制备性，是该领域迈向实用化的核心瓶颈。

内容简介

西南交大杨维清/游世海等人基于具有本征面外极化的2D金属卤化物钙钛矿铁电体(Mpda)PbBr₄ (Mpda = N-甲基-1,3-丙二胺)，利用热压工艺成功制备出了高质量、厘米级的多晶晶圆。该制备工艺使晶圆内部的晶粒形成优先的水平取向，进一步通过电场极化处理，使沿垂直方向向上或向下分布的极化趋于同向排列，最终在晶圆内部形成宏观极化。这种独特的极化效应可产生可切换的内建电场，体光伏电压可达2 V，从而有效促进光生载流子的分离与层间输运。得益于此，制备的垂直型X射线探测器不仅可在自驱动模式下工作；还能在16 V的小偏压下实现2285 μC Gy⁻¹ cm⁻²的高灵敏度与7.2 nGy s⁻¹的低探测限。该器件同时展现出优异的工作稳定性与高分辨率X射线成像能力。本研究表明，在多晶晶圆中调控本征铁电极化取向是提升垂直方向载流子输运性能的可行策略，为研发基于2D金属卤化物钙钛矿的高性能X射线平板探测器奠定了基础。

图文导读

I 本征物性：2D铁电钙钛矿的面外极化起源

如图1所示，(Mpda)PbBr₄为典型Dion-Jacobson型2D钙钛矿，室温下结晶于极性空间群Pn，Mpda有机阳离子通过强N-H…Br氢键垂直锚定在相邻无机层间，诱导无机八面体畸变，使正负电荷中心沿c轴分离，产生本征面外自发极化。SHG信号验证了其非中心对称结构，DFT计算表明其为直接带隙半导体，计算带隙为2.35 eV；光谱表征得到的实验光学带隙为2.88 eV，并进一步确定了其导电类型与能级结构，为器件设计提供了核心依据。

图1. 2D铁电钙钛矿(Mpda)PbBr₄晶体结构与半导体特性。

II 工艺调控：热压法制备高取向多晶晶圆

采用热压工艺，以(Mpda)PbBr₄微晶粉体为前驱体，在加热与单轴压力共同作用下，晶粒经历重排、预熔、融合与长大过程，形成高质量的致密多晶晶圆。晶圆直径可达10 mm、厚度可达0.6 mm，表面呈镜面状，均方根粗糙度仅7.85 nm，元素分布均匀。XRD表征显示，与粉体相比，晶圆的(00l)晶面衍射峰显著增强，证明热压诱导了微晶的水平取向生长，使绝大多数晶粒的本征极化轴(c轴)沿晶圆垂直方向排列，为宏观极化提供了关键结构基础。空间电荷限制电流测试表明晶圆陷阱密度仅1.00 × 10¹¹ cm⁻³，低于原文所比较的2D钙钛矿薄膜；对旋涂薄膜进行的压电响应力显微镜(PFM)测试观测到约180°的电畴相位反差和典型局域铁电回线，证实了多晶态下铁电极化的电可切换性。

图2. 2D铁电钙钛矿(Mpda)PbBr₄晶圆制备与铁电特性。

进一步系统评估了(Mpda)PbBr₄晶圆在面外和面内方向的电学性能。晶圆沿面内与面外方向的电学性能存在明显差异，基于有机层的阻碍，面外方向呈现更高的体电阻率(1.3 × 10⁹ Ω cm)与更大的离子迁移激活能(764 meV)。(Mpda)PbBr₄本身具有优异的X射线吸收能力，在X射线照射后，(Mpda)PbBr₄能够产生大量的光生载流子。载流子迁移率–寿命积(μτ)测试显示，面内和面外方向的μτ值分别为5.2 × 10⁻⁵和4.3 × 10⁻⁵ cm² V⁻¹，面外值略低于面内值，表现出优异的X射线探测潜力。

图3. 2D铁电钙钛矿(Mpda)PbBr₄晶圆电学性质与X射线吸收能力。

III 机制解析：宏观极化构建强内建电场

基于高取向晶圆构建垂直结构器件，经电场极化后，原本沿垂直方向向上或向下分布的晶粒极化方向在外电场作用下趋于一致，形成宏观面外极化，产生可切换的强内建电场。X射线辐照下，器件展现出~2 V的开路电压，表现出显著的体光伏效应；极化方向反转时光生电压与电流符号同步翻转，表现出典型的铁电极化调控特征。该内建电场可有效驱动X射线激发载流子的分离与层间输运，改善受有机间隔层限制的面外载流子输运。在自供电模式下，正、负极化后的器件灵敏度分别达483.6与448.4 μC Gy⁻¹ cm⁻²，探测限低至15.5与19.7 nGy s⁻¹，性能优于原文所比较的多种2D钙钛矿自供电X射线探测器。

图4. (Mpda)PbBr₄晶圆中宏观极化诱导的内建电场与自驱动X射线探测。

IV 性能验证：高灵敏低剂量X射线探测与成像

在外加偏压下，内建电场与外电场协同作用，进一步提升电荷收集效率。16 V偏压下，器件灵敏度达2285 μC Gy⁻¹ cm⁻²，由信噪比–剂量率关系拟合得到的探测限为7.2 nGy s⁻¹，约为论文采用的常规医学成像参考剂量率(5500 nGy s⁻¹)的1/763，显示出低剂量率探测潜力。器件同时展现出优异的工作稳定性：暗电流漂移仅5.04 × 10⁻⁶ nA cm⁻¹ V⁻¹ s⁻¹，在所测试的连续X射线开关循环中保持稳定、可重复的光响应。在20 V偏压、约60 μGy s⁻¹剂量率下，基于该晶圆的单像素扫描成像系统可重构金属螺母的轮廓与细节，实现高对比度成像。

图5. X射线探测与成像性能。

V 结论

本工作提出热压织构化结合电场极化的协同策略，在厘米级2D铁电钙钛矿多晶晶圆中实现了宏观面外极化，突破了2D钙钛矿层间载流子输运差与大尺寸单晶难制备的双重瓶颈。在材料结构层面，热压诱导微晶水平取向，使本征极化轴垂直对齐，结合电场极化实现晶圆级宏观面外极化，构建了强且可切换的内建电场；在器件性能层面，极化晶圆构建的垂直探测器兼具自供电工作能力、高灵敏度、超低探测限与优异稳定性；在应用拓展层面，该工艺简便可规模化，材料性能优异且成像质量高，为下一代高性能平板型X射线探测器的设计与制备提供了新思路，也为其他2D极性光电材料的宏观取向调控提供了借鉴。

作者简介

游世海

本文通讯作者

西南交通大学副研究员

▍主要研究领域

(1)金属卤化物钙钛矿及其光电探测器件；(2)稀土发光材料及其照明与显示器件。

▍主要研究成果

西南交通大学前沿科学研究院副研究员，硕导、联合博导，主要从事无机光电材料及器件的基础与应用研究工作。已在J. Am. Chem. Soc.、Nano-Micro Lett.、Adv. Funct. Mater.等期刊发表SCI论文60余篇；编写英文学术专著1章，申请中国发明专利6件。主持国家自然科学青年基金、四川省科技创新人才、中国博士后科学基金面上资助、英国皇家化学会RSC Research Fund等项目。

▍Email：shihai.you@swjtu.edu.cn

杨维清

本文通讯作者

西南交通大学教授

▍主要研究领域

特种功能材料宏量制备与智能装备跨域集成

▍主要研究成果

西南交通大学前沿科学研究院院长，材料科学与工程学院教授/博导，长期从事特种功能材料宏量制备与智能装备跨域集成研究。近年来，在Nature，Nat. Commun.，Adv. Mater.等国际著名刊物上发表SCI收录论文共计350余篇，其中ESI高被引论文48篇，封面论文11篇，论文他引2.1万余次，入选爱思唯尔中国高被引学者(西南交大材料学科唯一获得者)，斯坦福-爱思唯尔全球全领域2%Top科学家和ScholarGPS近五年全球前0.05%顶尖科学家榜单(全校仅7名)。主持国家自然基金、教育部创新团队、JWKJW重点项目、四川省创新团队、四川省杰出青年基金项目等20余项省部级项目，担任科技部重大研发计划项目会评专家和国家科技奖评审专家。申请专利79项(已授权40余项)，其中20项实现成果转化，直接转让经费3899余万元。获2023年/2025年度国家重大技术装备首台(套)产品2项，2项入选2021年四川省科技成果转化10大典型案例。孵化3家高新技术企业。获教育部创新团队、省学术与技术带头人、省“青年科技创新研究团队”、省杰出青年基金、省“QR计划”创新人才。

▍Email：wqyang@swjtu.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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